Synthesis of ketocarotenoids in the seed of Arabidopsis thaliana
- 作者
- Kjell Stålberg, Ove Lindgren, Bo Ek, Anna-Stina Höglund
- 单位
- Department of Plant Biology and Forest Genetics, Swedish University of Agricultural Science, Box 7080, 750 07 Uppsala, Sweden; Gyros AB, Uppsala Science Park, Dag Hammarskjölds väg 52, S-751 83 Uppsala, Sweden
- 杂志
- The Plant Journal（2003）
- DOI
- 10.1046/j.1365-313x.2003.01919.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在拟南芥种子中合成并积累酮类胡萝卜素，提高其含量
研究策略
从雨生红球藻克隆β-胡萝卜素加氧酶基因，与种子特异性启动子napA和RBCS1a转运肽融合，转化拟南芥；再将转基因植株与过表达内源八氢番茄红素合酶的植株杂交，以增加底物供应
核心内容
该研究旨在通过代谢工程手段在拟南芥种子中合成并积累酮类胡萝卜素。研究人员从雨生红球藻中克隆了β-胡萝卜素加氧酶基因，将其与种子特异性启动子napA及RBCS1a转运肽融合后转化拟南芥，使酮类胡萝卜素合成途径在种子中特异启动。随后，将获得的转基因植株与过表达内源八氢番茄红素合酶的植株杂交，以增强类胡萝卜素前体供应。结果显示，单转基因种子中成功积累以4-酮基叶黄素、金盏花黄质和角黄素为主的酮类胡萝卜素，证明外源加氧酶在种子中具备功能性。双基因过表达后，总色素含量相对提高4.6倍，三种主要酮类胡萝卜素总量提升13倍，且酮类胡萝卜素占总色素含量的38%，其中4-酮基叶黄素、金盏花黄质和角黄素分别占11%、5.3%和6.4%。该策略首次在拟南芥种子中实现酮类胡萝卜素的高效积累，为在油料作物中生产高价值酮类胡萝卜素奠定了可行基础。
创新点
首次在拟南芥种子中实现酮类胡萝卜素积累；鉴定了4-酮基叶黄素等新产物；通过双基因过表达策略大幅提高产量
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成/酮类胡萝卜素合成 | β-胡萝卜素加氧酶 (crtO，来源于雨生红球藻 Haematococcus pluvialis) | β-胡萝卜素加氧酶 | 催化 | 种子特异性表达，催化β-胡萝卜素4位加氧生成酮类胡萝卜素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | 内源八氢番茄红素合酶 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 过表达以增加类胡萝卜素底物供应 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 蛋白靶向 | RBCS1a 转运肽序列 | RBCS1a 转运肽 | 区室化 | 融合到β-胡萝卜素加氧酶，引导其进入叶绿体 |
关键发现
- 在拟南芥种子中特异性表达雨生红球藻β-胡萝卜素加氧酶，成功积累酮类胡萝卜素，主要产物为4-酮基叶黄素、金盏花黄质和角黄素
- 与过表达内源八氢番茄红素合酶的转基因植株杂交后，总色素含量相对增加4.6倍，三种主要酮类胡萝卜素总量增加13倍
- 双转基因种子中酮类胡萝卜素占总色素含量的38%，其中4-酮基叶黄素占11%、金盏花黄质占5.3%、角黄素占6.4%
- 用于杂交的八氢番茄红素合酶过表达植株β-胡萝卜素含量为0.088 mg g^-1 FW。
研究结论
研究表明，通过种子特异性启动子驱动藻类β-胡萝卜素加氧酶表达并结合内源八氢番茄红素合酶的过表达，可以在拟南芥种子中高效合成酮类胡萝卜素，产量大幅提升，为在油料作物中生产高价值酮类胡萝卜素提供了可行策略。